tÉcnico desenvolvimento de pavimentos desgaste e atrito · asfalto etc. [1]. o adoquim cerâmico...
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Instituto de
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Cerâmicos
Boletim Técnico
Desenvolvimento de pavimentos com alto desempenho frente ao
desgaste e atrito
Projeto Pavimentos Tribológicos
Convênio: SCIT 52/2013 Processo: 364-25.0/13-9
BOLETIM
TÉCN
ICO
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GOVERNO DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL SECRETARIA DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO,
CIÊNCIA E TECNOLOGIA
DIVISÃO DE POLOS TECNOLÓGICOS POLO DE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA DO VALE DO CAÍ
Boletim Técnico Projeto: Desenvolvimento de pavimentos com alto desempenho frente ao desgaste e atrito (Projeto Pavimentos Tribológicos)
Financiamento: SDECT/UCS Convênio: SCIT 52/2013 Processo: 364-25.00/13-9 Desenvolvimento de pavimentos com alto desempenho frente ao desgaste e atrito Equipe Executora: Dra. María Cristina Moré Farias* Dr. Márcio Ronaldo Farias Soares Dra. Jadna Catafesta * [email protected] Universidade de Caxias do Sul (UCS) Instituto de Materiais Cerâmicos – IMC Rua Irmão Moretto, no 75, Bairro D. Vicente, Bom Princípio, CEP 95765-000, RS, Brasil (+55) 51 3634-1100 [email protected] www.ucs.br/site/imc Algumas fotografias e esquemas foram adaptadas das seguintes fontes:
“Manual para el uso del Adoquín Cerámico”;
“Adoquín Cerámico” - Catálogo Cerámica Malpesa, S.A.; www.malpesa.es;
Brick Industry Association. Technical Notes on Brick Construction; www.gobrick.com
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Índice
4 Introdução
5 Sobre pavimento cerâmico
Descrição
Vantagens
Aplicações
Especificações técnicas
9 Matéria-prima para fabricação de pavimentos cerâmicos
Argilas
Aditivos
11
Fundamento de Tribologia
Desgaste
Atrito
Lubrificação
14 Resultados obtidos no âmbito do projeto
Preparação de formulações cerâmicas
Caracterização dos corpos cerâmicos
Seleção de formulações para pavimentos cerâmicos com base no
desempenho mecânico e tribológicos
18 Conclusões
18 Referências bibliográficas
Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 4
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Introdução Documentos de planejamento estratégico da Região do Vale do Caí, Rio Grande do Sul
apontam para um grupo de ações para o desenvolvimento da região, como novas
tecnologias de desenvolvimento de produtos de cerâmica vermelha, coerente com as áreas
de atuação do Polo Tecnológico do Vale do Caí (área Cerâmicas) e com as áreas de atuação
do Programa RS Tecnópole. Esses materiais argilosos são amplamente utilizados na
construção civil para a fabricação de tijolos, blocos, telhas, pavimentos, entre outros. A
utilização de pavimentos cerâmicos a base de argila, não esmaltado, é uma prática adotada
há muito tempo em países como a Grã Bretanha, Holanda, Estados Unidos, Austrália,
Centro de Europa, entre outros. A pesar de suas grandes vantagens e variadas aplicações,
são poucos os registros de desenvolvimento deste produto no Estado de Rio Grande do
Sul, o que representa uma oportunidade de incremento da cadeia de produtos cerâmicos
no Estado e, em especial, na região do Vale do Caí com tradição na produção de cerâmicas
vermelhas.
Além da necessidade de produtos cerâmicos inovadores, há problemas ambientais e
econômicos decorrentes da geração de resíduos provenientes da mineração e
processamento industrial de rochas. Esses resíduos contaminam diretamente os rios e
solos e desfiguram as paisagens. Diante disso, sob o respaldo da resolução 307/2005 do
Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), as indústrias têm sido incentivadas
ao aproveitamento eficiente de materiais de mineração e reaproveitamento ou reciclagem
dos rejeitos de construção civil. Neste sentido, os resíduos de rocha podem ser utilizados
como agregados para fabricação de corpos cerâmicos que sustentam esforços elevados.
Diante dessas oportunidades, no âmbito do projeto intitulado “Desenvolvimento de
pavimentos com alto desempenho frente ao desgaste e atrito” (financiamento
SDECT/UCS) foram desenvolvidos pavimentos cerâmicos de argila com adição de rochas.
Neste Boletim Técnico, são apresentados os principias resultados do projeto.
Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 5
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Sobre pavimento cerâmico (adoquim
cerâmico)
Descrição
Um adoquim é um elemento utilizados
frequentemente na pavimentação de superfícies
(revestimento de chão) para trânsito de pedestres
ou de veículos (Figura 1). Pode ser feito de pedra
natural, madeira, cimento, concreto, mosaicos,
asfalto etc. [1]. O adoquim cerâmico é um tipo
de pavimento intertravado fabricado
preferencialmente a partir de argila e de
materiais argilosos, com ou sem aditivos, que
conferem um aspecto não-esmaltado.
Em português, também
é conhecido como
pavimento cerâmico ou
adoquim cerâmico ou
paver cerâmico ou
tijolo para pavimentos,
em espanhol como
“adoquín cerámico”
e em inglês, “ceramic paver”.
Vantagens
A grande variedade de
cores confere às áreas
ou ambientes onde são
implementados um
aspecto rústico,
moderno e estética
harmoniosa (Figura 2).
O pavimento cerâmico é
pequeno e com diferentes
formas geométricas, o que
facilita o manejo, a
instalação e a correta
distribuição de cargas
impostas pelos diversos
tipos de tráfegos (Figura 3).
Em relação a outros tipos de pavimentos, os
pavimentos cerâmicos apresentam uma série de
vantagens, nas quais se destacam [2],[3]:
Durabilidade e permanência de cor: têm uma
vida útil em torno de 30 anos e a sua cor
natural dispensa o uso de tintas.
Possibilidade de aplicação em diferentes
designs ou configurações de superfícies:
podem ser fabricadas peças de diferentes
formas geométricas (Figura 4); podem ser
colocados em diferentes posições, arranjos,
para recriar temas ou desenhos e cores
(Figura 5).
Figura 1: Pavimento cerâmico
Figura 2: Pavimentos cerâmicos em
praças públicas
Figura 3: Pavimentos cerâmicos
em áreas de tráfego urbano
Figura 4: Diferentes formas geométricas de pavimento cerâmico
Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 6
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Aplicação de um amplo espectro de cores:
múltiplas combinações de cores podem ser
obtidas durante processo de fabricação, que
podem ser de vermelho a cinza, de acordo
com o tipo de argila utilizada na composição
da massa, o que dispensa, assim, a
necessidade de pintura.
Conforto: área de passeio confortável;
amortece o ruído do tráfego automotivo.
Excelentes propriedades físicas: resistência ao
gelo; resistência a agentes químicos
agressivos (combustíveis, graxas, azeites e
lubrificantes); não sofrem alteração
dimensional em ambientes climáticos mais
quentes.
Boas propriedades mecânicas e tribológicas:
resistem a cargas concentradas e elevadas
originadas pelo tráfego de caminhões com
reboques; elevada resistência à compressão;
resistência a esforços combinados de flexão-
tração; resistência ao risco; resistência ao
desgaste; resistência ao escorregamento/
derrapagem.
Baixo custo de manutenção: a sua
manutenção é restrita à remoção de
vegetações que crescem entre as juntas e
preenchimento das juntas quando a ação
erosiva do ambiente o exige.
Reparo fácil e possibilidade de reutilização: as
peças individuais podem ser removidas e
substituídas; durante os processos de
restauração, de 90% a 95% das peças podem
ser reutilizadas. O custo desta atividade é
menor no caso dos pavimentos cerâmicos
flexíveis (assentados e selados com areia),
comparados com os pavimentos rígidos
(assentados com concreto e selados com
cimento) [4],[5].
Facilidade de execução: a sua execução
dispensa o uso de equipamentos de alto
custo, pois é possível o uso de ferramentas
manuais, e não requer de mão de obra
especializada; podem ser abertos ao tráfego
logo após de serem colocados, o que evita o
tempo de espera para secagem e cura.
Aplicações
Os pavimentos cerâmicos são produzidos
tradicionalmente em países como Grã-Bretanha,
Holanda, Espanha, Austrália, Estados Unidos,
Figura 5: Exemplo de padrão de cores de pavimentos cerâmicos
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Colômbia e, nos últimos anos, em Portugal. No
Brasil, todavia, são pouco difundidos.
A existência de vários polos industriais de
cerâmica vermelha no país, aliada às vantagens
técnicas, econômicas e ambientais que o
pavimento cerâmico oferece, despertaram
interesse da comunidade científica do Brasil, em
especial, do IMC-UCS, para desenvolvimento
desse tipo de pavimento. Nos países
anteriormente mencionados, os pavimentos
cerâmicos são usados em diferentes áreas, como
áreas de tráfegos de pedestres (calçadas, praças,
passagens, jardins, áreas de residências), áreas de
tráfego urbano, áreas de
tráfego leve e pesado
(indústrias, carga e descarga,
portos, aeroportos), áreas
submetidas a ambientes
agressivos (fábricas de
produtos químicos, áreas
industriais, postos de
gasolina), entre outras [2].
Nessas áreas, os pavimentos
cerâmicos podem ser dispostos
em diferentes formatos ou
arranjos (Figura 6), facilitado
pela sua característica de
intertravamento.
Especificações técnicas
Em relação à determinação das
propriedades tecnológicas dos pavimentos
cerâmicos, o Brasil não dispõe de normas que
estabeleçam padrões tecnológicos, dada a pouca
produção e desenvolvimento desse produtos.
Diante disso, os desenvolvimentos recentes de
pavimentos cerâmicos se baseiam em normas
europeias, da Espanha (UNE-EM), Alemanha
(DIN), americanas (ASTM), ou em normas
internas (NBR 13816, NBR 13817, NBR 13818,
NBR 9781 e NBR 9817). As normas internas se
baseiam em normas ISO para placas cerâmicas
para revestimentos de pisos e paredes,
esmaltadas e não esmaltadas, compostas de argila
e outras matérias-primas inorgânicas. Portanto,
essas normas internas são mais gerais e não se
referem especificamente aos pavimentos
cerâmicos, como ocorre na Europa e em outros
países da América. Por exemplo, países como
Espanha, Colômbia e Estados Unidos, onde o
Figura 6: Exemplos dos implementação de pavimentos cerâmicos
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pavimento cerâmico já é um produto
consolidado se regem por normas internas para
determinar os parâmetros admissíveis para
utilização desses produtos em diferentes locais
(Tabela 1). Portugal, embora esteja na frente,
tem uma situação similar à do
Brasil e utiliza como referência o projeto de
norma europeia sobre pavimentos cerâmicos e
ainda as normas DIN [3]. Os requisitos técnicos
exigidos para os pavimentos cerâmicos podem
variar, dependendo das condições climáticas de
cada país e, de modo geral, são exigidas as
características seguintes: absorção de água,
resistência à ruptura transversal, resistência à
compressão, resistência à abrasão, resistência ao
escorregamento/derrapagem, resistência ao
ataque de ácidos, condutividade térmica,
resistência ao fogo, emissão de asbesto e
formaldeído e resistência ao gelo [2],[6].
Propriedades resistência à abrasão, à flexão e à
compressão, densidade aparente, retração linear,
absorção de água, exigidas para os pavimentos
cerâmicos são comumente avaliadas no IMC-
UCS. No que se refere ao desempenho
tribológicos, a resistência à abrasão é uma das
propriedades importantes que os pavimentos
cerâmicos devem atender.
Requisitos Técnicos (Pavimento cerâmico extrudado) UNE-NE 1344-2002
(Espanha)
NTC 5282-2002
(Colômbia)
Tráfego pesado
ASTM C1272-2006
(Estados Unidos)
Pavimento cerâmico rígido (R)
e flexível (F);
Tráfego pesado
Absorção de água média (%) - 6 (Tipo R e F) 6 (Tipo R e F)
Resistência à compressão média (MPa) - 55 (Tipo R)
69 (Tipo F)
55,2 (Tipo R)
69,0 (Tipo F)
Carga de ruptura transversal média (N/mm) 30 (Classes T1 e T2)
80 (Classes T3 e T4) - 83000 (Tipo F)
Resistência à abrasão (volume removido, mm3)
Índice de abrasão (máximo)
Volume de abrasão (cm3/cm2)
450 (Classe A3)
1100 (Classe A2)
2100 (Classe A1)
-
-
-
-
-
0,11 (Tipo R e F)
1,7 (Tipo R e F)
-
-
-
0,11 (Tipo R e F)
1,7 (Tipo R e F)
Resistência ao escorregamento/derrapagem sem
polimento (USRV – unpolished skid resistance value)
35 (Classe U1)
45 (Classe U2)
55 (Classe U3)
- (Método do pêndulo britânico,
ASTM E303)
Resistência à ácidos (perda de massa) 7% (Classe C) - -
Resistência ao gelo/degelo Resistente (Classe
FP100) - -
Tabela 1: Especificações técnicas para pavimentos cerâmicos.
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Essa propriedade tribológica é determinada por
meio de ensaios de abrasão (Figura 7), de acordo
com diferentes normas internacionais (NE 1344,
ISO 10545-7). A norma brasileira NBR 13818
[7], especifica a medição da resistência à abrasão
profunda de placas cerâmicas não esmaltadas
para revestimentos.
A norma NBR 13817 [8] define limites de
resistência à abrasão profunda de placas
cerâmicas, de acordo com o método de
fabricação (extrusão, prensagem e outros) e
níveis de absorção de água (Tabela 2).
Matéria-prima para fabricação de
pavimentos cerâmicos
A grande disponibilidade de argila e de rochas,
de origem predominantemente basáltica, e a alta
densidade de indústrias cerâmicas de pequeno e
médio porte na região do Vale do Caí, n38a
região nordeste do Rio Grande do Sul [9],
são elementos favoráveis para a produção
de pavimentos cerâmicos, que se insere no
conjunto de novas e inovadoras
alternativas para a região. Basicamente, o
pavimento cerâmico é fabricado a partir
uma matéria-prima argilosa com aditivos,
os quais podem ser provenientes de
rejeitos de atividades industriais de
processamento de produtos cerâmicos
[10].
Argilas
Argila é um material natural, terroso, de grão
fino, que adquire plasticidade quando em
contato com água. As argilas disponíveis para
produção de cerâmica vermelha são produto do
intemperismo das rochas da serra geral, as quais
são classificadas a partir do local da coleta
em argilas primárias ou de morro ou em
argilas secundárias de depósitos
sedimentários no leito do rio Caí. Essas
argilas apresentam elevada plasticidade,
um teor de umidade natural de 20%, e
menor presença de seixos e torrões duros
[9], o que permite uma fácil desagregação
manual e homogeneização em
laminadores. As argilas podem, também,
Grupo de
absorção de
água
(Norma ABNT
NBR 13817)
Absorção de água,
Abs
(%)
Resistência à
abrasão profunda;
Processo de
extrusão
(mm3)
Resistência à
abrasão profunda;
Processo de
prensagem
(mm3)
Ia 0 < Abs ≤ 0,5 ≤ 275 ≤ 175
Ib 0,5 < Abs ≤ 3,0 ≤ 275 ≤ 175
IIa 3,0 < Abs ≤ 6,0 ≤ 393 ≤ 345
IIb 6,0 < Abs ≤ 10,0 ≤ 649 ≤ 540
IIIa Abs acima de 10,0 ≤ 2365 -
Figura 7: Esquema do equipamento para medição da abrasão profunda
Tabela 2: Requisitos exigidos para resistência à abrasão de placas cerâmicas.
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ser classificadas em argilominerais, minerais
associados e fases associadas.
Os argilominerais são geralmente cristalinos,
contribuem para a plasticidade na argila e são
endurecidos após secagem ou queima. Os cristais
de argilominerais contém silicatos hidratados e,
dependendo do tipo de mineral, podem conter
cátions de alumínio, ferro, cálcio, magnésio,
potássio e outros. São organizados em estruturas
bidimensionais ou folhas (filossilicatos)
tetraédricas e octaédricas de silicatos e hidroxilas.
Os argilominerais comumente encontrados nas
argilas são caulinita, ilita e esmectita. Por sua
vez. Os minerais associados não oferecem
plasticidade à argila e não endurecem pelo efeito
da secagem ou queima. Alguns exemplos são
óxidos (hematita, coríndon), carbonatos (calcita,
dolomita, magnesita) e silicatos (quartzo,
feldspatos, talco). Alguns minerais como os
óxidos e hidróxidos de ferro são os responsáveis
pela cor vermelha ou marrom-avermelhada que
se mantem após queima da argila. Por fim, as
fases associadas são componentes não minerais,
como sustâncias amorfas e sustâncias
inorgânicas e orgânicas. Alguns exemplos são
silicatos amorfos ou húmus como um
constituinte orgânico do solo [11],[12],[13].
Aditivos
Os aditivos podem ser incorporados na massa
cerâmica argilosa nas diferentes etapas de
processamento, o que auxilia os processos de
preparação das massas e a etapa subsequente de
queima. Além de benefícios no processamento, a
adição de aditivos traz benefícios do ponto de
vista ambiental, uma vez que resíduos industriais
de diferentes materiais podem ser aproveitados
[14]. Os aditivos podem ser classificados de
acordo com a sua funcionalidade em
defloculantes, que diminuem a viscosidade e
aumentam as propriedades de fluxo das
partículas (silicato de sódio, tripolifosfato de
sódio, hexametafosfato de sódio e carbonato de
sódio); em floculantes ou ligantes, que são
compostos poliméricos que aumentam a
viscosidade por molhar as partículas e formando
pontes entre elas (Ca(OH)2, PVA ou
argilominerais como a montmorrillonita); em
plastificantes, os quais são usados para aumentar
a plasticidade da massa cerâmica (argilas de
elevada plasticidade ou argilas gordas); em
desplastificantes ou emagrecedores, os quais
usados para reduzir a plasticidade, a retração
linear e a absorção de água das massas cerâmicas
(areias quartzosas, areias feldspáticas, e rochas
carbonatadas moídas como basalto ou granito);
e em fundentes, que melhoram a sinterabilidade
da massa cerâmica durante o processo de queima
[14],[15]. Outros resíduos têm sido avaliados
quanto à viabilidade de seu aproveitamento para
a fabricação de produtos cerâmicos com
propriedades otimizadas, dentre eles, chamote,
argilito e rochas ornamentais [10],[16],[17],[18].
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Fundamento de Tribologia
A economia de energia e a proteção do meio
ambiente são duas importantes demandas
mundiais para o desenvolvimento tecnológico
dos países como o Brasil. Essas demandas estão
ligadas à Tribologia, que envolve estudo de
fenômenos de atrito, desgaste e lubrificação.
Custos associados ao desgaste e ao atrito são
economicamente significativos, pois podem
causar uma redução do PIB de 1 a 5%. O
descarte de lubrificantes, o consumo de recursos
não renováveis (consumo de elementos de liga e
degradação e oxidação de materiais) e as
emissões de poluentes são algumas das formas de
impacto ambiental associadas ao desgaste.
Assim, com a aplicação da tribologia é possível o
emprego de lubrificantes, de seleção de materiais
e de projetos adequados que minimizem as
perdas por atrito e a degradação insustentável do
meio ambiente. No Vale do Caí, o documento
do Planejamento Estratégico Regional do Vale
do Caí, aponta para um grupo de ações para o
desenvolvimento da região, e se destaca dentre
elas, novas tecnologias de design de cerâmicas
vermelhas. Estudos envolvendo conceitos de
atrito, desgaste e lubrificação podem auxiliar no
desenvolvimento de pavimentos cerâmicos alta
resistência ao desgaste. Para auxiliar o
entendimento dos resultados obtidos neste
projeto, são introduzidos de forma breve alguns
conceitos básicos sobre atrito, desgaste e
lubrificação.
Tribologia é a ciência e tecnologia das superfícies
que interagem entre si mediante um movimento
relativo, e abrange o estudo de atrito, desgaste e
lubrificação[19],[20]. O termo
Tribologia foi oficialmente utilizado pela
primeira vez em 1966 em
um relatório elaborado por
Peter Jost para o Comitê do
Departamento Inglês de
Educação e Ciência.
Os fenômenos tribológicos
estão presentes em muitas
aplicações, como
componentes mecânicos,
máquinas, processos de
manufatura, produtos,
construção civil, exploração de produtos
naturais e outros. A tribologia é estudada por
meio da análise do sistema de parâmetros que
influenciam o comportamento do atrito, da
lubrificação e do desgaste dos corpos em
contato. Além do contato propriamente dito,
também são importantes as características do
meio interfacial e do ambiente. Assim, um
sistema tribológico (Figura 8) ou tribossistema
Figura 8: Esquema de um sistema tribológico
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(tribo-system) consiste de vários elementos:
dois corpos que interagem entre si (chamados
de corpo e contracorpo), a interface entre estes
dois corpos (lubrificante ou óxido) e o
ambiente [21],[22].
Desgaste
O desgaste pode ser descrito como um dano
superficial caracterizado pela perda de massa
progressiva de um corpo sólido devido à sua
interação mecânica com outra superfícies sólida,
com fluído ou com gás. No entanto, a perda de
massa não é o único fator determinante para
afirmar que alguma superfície sofreu desgaste.
Superfícies ou corpos sólidos podem sofrer
desgaste se ocorrerem mudanças geométricas ou
dimensionais, ocasionadas pela deformação
plástica, ou ocorrer formação de trincas. Assim
sendo, é correto afirmar que desgaste é um
processo de remoção de material que envolve
fratura, deformação, fadiga, difusão, reações
químicas, abrasão, o que resulta na formação de
fragmentos do material de várias formas e
tamanhos [20],[23]. O tipo de interação entre as
superfícies, ao considerar como critério a forma
de remoção de material define os mecanismos de
desgaste, os quais podem ser classificados em
desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste
oxidativo (ou reação triboquímica) e desgaste
por fadiga (Figura 9). Essa classificação permite
identificar a dependência significativa de fatores
como tensões e velocidades aplicadas, geometria
e materiais (composição química, microestrutura
e propriedades mecânicas, etc.) no desgaste de
componentes. Várias condições macroscópicas
envolvem a situação de desgaste, como o
movimento relativo entre os corpos (desgaste por
deslizamento, por rolamento, alternado, por
impacto), o meio interfacial (desgaste a seco e
lubrificado) e a interação ou estado físico (por
exemplo, “desgaste metal-metal”) [24],[25].
Atrito
Associado ao desgaste, o atrito influencia o
comportamento de dois corpos em movimento
relativo, seja de deslizamento, seja movimento de
rolamento. O atrito pode ser definido como a
força que se opõe ao movimento relativo entre
duas superfícies. O coeficiente de atrito,
comumente utilizado como parâmetro que
caracteriza o atrito do tribossistema, depende de
parâmetros do ambiente, níveis de pressão e
velocidade, tipo de lubrificante, material
(substrato e filmes superficiais), topografia das
superfícies e das forças/energias de interação
entre as superfícies. O atrito deve considerar a
Figura 9: Mecanismos de desgaste
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somatória de todas as forças que se opõe ao
movimento relativo de duas superfícies, entre
elas, as forças associadas com a adesão, abrasão
por sulcamento, dissipação de energia, entre
outras [26].
Lubrificação
A presença do lubrificante na interface de
sistemas deslizantes produz uma diminuição
tanto no desgaste quanto no atrito e, de forma
secundária, pode agir no resfriamento da
interface, na modificação das tensões de contato
e na eliminação de partículas de desgaste do
contato. Lubrificantes contribuem na redução da
expansão térmica devido ao calor gerado por
atrito, na redução de perda de potência em
motores, proteção à corrosão e selante e redução
de custos de manutenção. Entretanto, o
desempenho do lubrificante não se manifesta
com a mesma eficiência frente ao desgaste e ao
atrito, pois ele depende de parâmetros, como
tipo de lubrificante, condições de operação
(velocidade, temperatura e pressão de contato,
etc.), compatibilidade química entre o substrato
e lubrificante, entre outros. A degradação do
lubrificante como resultado de oxidação e
polimerização, pode diminuir a habilidade do
fluido de lubrificar o contato [26]. Os
lubrificantes podem ser líquidos (óleos), semi-
sólidos (graxas) ou sólidos.
Os lubrificantes fluídos podem ser classificados
como óleos minerais e sintéticos. A viscosidade,
volatilidade, ponto de fluidez, oxidação, extrema
pressão (capacidade de suportar pressões
elevadas) destacam-se dentre as propriedades dos
óleos lubrificantes. Para melhorar seu
desempenho os óleos lubrificantes podem conter
aditivos inibidores de corrosão, modificadores de
atrito, aditivos antidesgaste, aditivos de extrema
pressão, modificadores de viscosidade,
antioxidantes e outros.
A lubrificação sólida tem sido um foco
importante na área dos novos materiais, com
grandes possibilidades de aplicações na área
automotiva, o que permite alcançar coeficientes
de atrito cada vez mais baixos, filmes mais
aderentes, duros, resistentes, sem contaminação
e apropriados para ambientes com atmosferas
agressivas. Exemplos de lubrificantes sólidos
incluem a grafita, o bissulfeto de molibdênio
(MoS2) e politetrafluoretileno
(polytetrafluorethylene – PTFE) [20],[22].
A partir dos inúmeros e variados estudos
tribológicos de diferentes sistemas tem-se
verificado que: o coeficiente de atrito não é uma
propriedade do material, é um propriedade dos
sistema; a resistência ao desgaste depende do
modo de desgaste, a qual depende do sistema
tribológicos; a caracterização adequada e o
entendimento do sistema tribológico favorecerão
na escolha correta do materiais e das condições
de contato, assim como na realização adequada
das medições, de acordo com os objetivos
traçados.
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Resultados obtidos no âmbito do projeto
Preparação de formulações cerâmicas
Com base em resultados preliminares obtidos no
IMC-UCS, foram preparadas três formulações
cerâmicas para aplicação em pavimentos
cerâmicos (Figura 10). Essas formulações
continham um tipo de argila (0047-13) com
adições de dois tipos de
rocha, R1 (0030-13) e R2
(0039-13) e três quantidades
de rocha (20%, 30% e
40%). Essas formulações
foram confeccionadas pelo
processo de extrusão.
Caracterização dos
corpos cerâmicos
Os produtos cerâmicos foram avaliados quanto:
microestrutura, adsorção de água, retração
linear, resistência à compressão, resistência à
abrasão profunda e níveis de atrito e de desgaste
no deslizamento. Os
principais resultados
deste projeto referem-se
à caracterização
tribológica, que
consistiu de etapas
preliminares, para
seleção dos parâmetros
de ensaio adequados e
de ensaios definitivos
(em equipamento de
ensaios tribológicos,
Tribômetro, Figura 11),
para a caracterização do produtos cerâmicos.
Neste sentido, para a determinação do
coeficiente de atrito e da perda de massa devido
ao desgaste dos produtos cerâmicos, foram
realizados ensaios com a geometria de contato de
deslizamento alternado, sem meio líquido (a
seco), carga normal, velocidade e distância de
deslizamento constantes, utilizando o
equipamento (tribômetro)
adquirido no âmbito do
projeto. O perfil e morfologia
das superfícies desgastadas
foram caracterizados por
perfilometria 3D e por
microscopia eletrônica de
varredura. Os resultados dessas caracterizações
foram correlacionados com os resultados de
coeficiente de atrito e de perda de massa.
Seleção de formulações para pavimentos
cerâmicos com base no desempenho mecânico e
tribológicos
Visto que o Brasil não dispõe de
uma norma que determine os
requisitos técnicos para pavimento
cerâmico, os resultados obtidos
foram comparados com os
requisitos técnicos de pavimento
intertravado de cimento [27], de
ampla produção no Brasil
(Tabela 3). A pesar de se tratar de
materiais diferentes, essa
comparação permite avaliar
qualitativamente a qualidade dos
Figura 10: Pavimentos cerâmicos produzidos
Figura 11: Tribômetro UMT TriboLab, Bruker
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novos materiais produzidos. A formulação com
30% de rocha R1 atingiu uma resistência à
compressão superior a 35 MPa, correspondente
ao mínimo exigido para pavimentos
intertravados de cimento para tráfego de
pedestres e veículos leves. De acordo com a
norma NBR 13818, para placas cerâmicas
extrudadas para revestimos não esmaltados,
(Tabela 2), os produtos desenvolvidos contendo
30% de rochas R1 e R2, atendem os requisitos
de absorção de água e de resistência à abrasão
profunda para a Classe Tipo IIIa. Os valores
obtidos também foram comparados com os
requisitos da norma NE 1344 para pavimentos
cerâmicos (Tabela 3). Essa comparação indicou
que as formulações com 30% de rocha R1 e R2
apresentaram maior resistência à abrasão que o
adoquim cerâmico Classe A1.
A partir dos resultados da caracterização física e
mecânica e tribológica, foram determinados
índices de desempenho mecânico e de
desempenho tribológico, os quais auxiliaram na
seleção de formulações de composição argila-
rocha mais apropriadas para pavimentos
cerâmicos. O índice de desempenho mecânico
(IPM) proposto permitiu a identificação das
formulações com maior densidade, menor
retração linear e maior resistência mecânica, ao
levar em conta a massa específica, a retração
linear, o módulo de resistência à flexão, assim
como a largura e comprimento do corpo
cerâmico. A análise do IPM dos corpos cerâmicos
mostrou que, exceto a amostra com 20% de
rocha R2, todas as composições tiveram índice
de desempenho superior ao da argila. A
formulação com 40% de rocha R1 teve o maior
valor de IPM, porém, foi desconsiderada, pois
Requisito Técnico
Pavimento intertravado de cimento
(ABNT NBR 9781)
Pavimento intertravado tipo adoquim cerâmico
(NE 1344)
Resultados do IMC-UCS
P1
(30% R1)
P2
(30% R2)
P3
(40% R2)
Resistência à compressão
(MPa)
≥ 35,0 (tráfego de pedestres, veículos leves e veículos comerciais de linha)
≥ 50,0 (tráfego de veículos especiais e solicitações capazes de produzir
efeitos de abrasão acentuados)
- 48,8 33,7 25,4
Resistência à abrasão
[mm]
(mm3)
23 (tráfego de pedestres, veículos leves e veículos comerciais de linha)
20 (tráfego de veículos especiais e solicitações capazes de produzir efeitos de abrasão acentuados)
Classe A1: ( 2100)
Classe A2: ( 1100)
Classe A3: ( 450)
[57,1] (1593,3)
[57,4] (1622,8)
[67,5]
(2658,9)
Absorção de água (%)
6 - 15,1 15,3 14,6
Tabela 3: Resultados obtidos para os pavimentos cerâmicos produzidos no IMC-UCS
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apresentou a menor resistência à flexão
(Figura 12).
Em conjunto com o IPM, o índice de
desempenho tribológico (IPT) proposto foi usado
como critério de seleção das formulações argila-
rocha para adoquins cerâmicos. O IPT representa
a razão entre o coeficiente de atrito e o
coeficiente de desgaste e depende da massa
específica e propriedades mecânicas das
formulações, assim como dos parâmetros dos
ensaios tribológicos (força normal e distância
deslizamento). A análise do IPT indicou que as
formulações com 30% de rochas R1 e R2
apresentam desempenho tribológico satisfatório,
superior ao da argila (Figura 13).
Para fins comparativos, também foram
realizados ensaios tribológicos de três produtos
comerciais, dois pisos cerâmicos e um pavimento
intertravado de concreto. Também foi avaliado o
comportamento tribológico de outra formulação
com maior temperatura de queima (de 950oC
para 1100oC).
Pela comparação dos valores do coeficiente de
atrito (Figura 14) e de perda de massa
(Figura 15) dos produtos desenvolvidos com os
dos pisos comerciais 1 e 2 e do pavimento
intertravado de concreto, foram consideradas
apropriadas as formulações com 30% de rocha
Figura 12: Índice de desempenho mecânico
dos pavimentos cerâmicos produzidos Figura 13: Índice de desempenho tribológicos
dos pavimentos cerâmicos produzidos
Figura 14: Coeficiente de atrito dos pavimentos
cerâmicos produzidos e de pavimentos comerciais
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R1 e R2, assim como a 009014 (maior
temperatura de queima).
Cabe ressaltar que a formulações com 30% de
R1 e R2 também atingiram o requisito de
resistência à abrasão profunda e tiveram índices
de desempenho mecânico e tribológicos
superiores ao da argila.
Na análise das trilhas de desgaste, observou-se a
formação de uma camada aderida, comumente
chamada tribofilme ou terceiro corpo, devido ao
contato por deslizamento (Figura 16). Esse
tribofilme era composto por uma mistura de
material das amostras de argila ou da
composição argila-rocha e do contracorpo. O
tribofilme formado teve, provavelmente, uma
natureza química e mecânica que prejudicou o
desempenho tribológico das formulações com
menor índice de desempenho tribológicos. Os
resultados da caracterização tribológica, atrito e
desgaste por deslizamento alternado, apontaram
para uma correlação entre o comportamento
Figura 16: Trilhas de desgaste dos pavimentos cerâmicos produzidos e de pavimentos comerciais
Figura 15: Perda de massa devido ao desgaste dos
pavimentos cerâmicos produzidos e de pavimentos
comerciais
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tribológico e as características químicas,
mineralógicas e microestruturais das diferentes
formulações argila-rocha. A diferença na
composição das rochas, em especial, a presença
de fases cristalinas mais duras se reflete no
comportamento do atrito e desgaste.
Conclusões
O comportamento tribológico dos produtos para
pavimentos cerâmicos está correlacionado com
as características químicas e mineralógicas das
formulações.
Em conjunto com o índice de desempenho
mecânico, o índice de desempenho tribológico
proposto neste projeto foi usado como critério de
seleção das formulações argila-rocha para
pavimentos cerâmicos que, quando apropriadas
do ponto de vista mecânico, tenham valores de
coeficiente de atrito na faixas dos comerciais
(associado com a baixa ocorrência de
escorregamento de indivíduos e com a baixa
ocorrência de derrapagem do veículos) e menor
perda de massa específica devido ao desgaste
(associado com a durabilidade do pavimento).
O comportamento tribológico dos pavimentos
cerâmicos desenvolvidos depende do tipo e
quantidade de resíduo de rocha e da temperatura
de queima. Pavimentos com 30% em massa de
rocha R1 e R2 apresentam melhor desempenho
frente ao desgaste por deslizamento, com níveis
comparáveis a os dos comerciais. O pavimento
com 30% em massa de rocha R1 atende os
requisitos de resistência à abrasão exigidos pela
norma brasileira para placas cerâmicas não
esmaltadas e pela norma espanhola para
pavimentos cerâmicos Classe A1. Pavimentos
cerâmicos produzidos com maior temperatura de
queima também têm comportamento frente ao
desgaste por deslizamento comparável com o de
pavimentos comerciais.
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RS, Abril, 2017